CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ 1.1 Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ Hệ thống công nghệ bao gồm: Máy - dao - đồ gá - chi tiết gia công là một hệ thống đàn hồi. Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra sai số kích thước và sai số hình học của chi tiết gia công. Lực cắt thay đổi là do lượng dư gia công không cố định, tính chất cơ lý của vật liệu gia công không cố định (Độ cứng, thành phần hóa học của vật liệu không đồng đều) và lượng mòn dao. Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ thống đó.1 Ảnh hưởng do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ MGDC Hệ thống công nghệ MGDC (Máy, đồ gá, dao, chi tiết gia công) không phải là một hệ thống tuyệt đối cứng vững mà ngược lại khi chịu tác dụng của ngoại lực nó sẽ bị biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc.
Trong quá trình cắt gọt các biến dạng này gây ra sai số kích thước và sai số hình dạng hình học của chi tiết gia công. Trong thực tế, một mặt lực cắt tác dụng lên chi tiết gia công, sau đó thông qua đồ gá truyền đến bàn máy, thân máy, mặt khác lực cắt cũng tác dụng lên dao cát và thông qua cán dao, bàn dao truyền đến thân máy. Bất kỳ một chi tiết nào của các cơ cấu máy, đồ gá, dụng cụ hoặc chi tiết gia công khi chịu tác dụng của lực cắt ít nhiều đều bị biến dạng. Vị trí xuất hiện biến dạng tuy không giống nhau nhưng các biến dạng đều trực tiếp hoặc gián tiếp làm cho dao cắt rời khỏi vị trí tương đối so với mặt cần gia công đã được điều chỉnh sẵn gây ra sai số gia công.
Khi cắt, dưới tác dụng của lực cắt trên hệ thống công nghệ MGDC xuất hiện lượng chuyển vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công, giả sử ta gọi lượng chuyển vị đó là . Lượng chuyên vị trí hoàn toàn có thể phân tích thành ba lượng chuyển vị x, y và z theo ba trục tọa độ của hệ tọa độ vuông gốc, trong đó chuyển vị y có ảnh hưởng tới kích thước gia công nhiều nhất (vì y là chuyển vị theo phương Học viên: Chu Minh Nhật 3 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy pháp tuyến của bề mặt gia công), còn lượng chuyển vị x không ảnh hưởng nhiều đến kích thước gia công. Ví dụ:: Khi tiện (sơ đồ hình 1 - 1). Khi dao tiện có lượng dịch chuyển thì bán kính của chi tiết gia công sẽ tăng từ R đến R + R (đường vòng tròn nét đậm tăng kích thước đến vòng tròn nét đứt).1) 2 z = ( R + y) = ( R + y) 1 + R + y 2 z Vì z là rất nhỏ so với R nên là đại lượng nhỏ không đáng kể.
Do đó R+ y tính gần đúng ta có: R + R R + y và R y Nếu là dao nhiều lưỡi hoặc dao định hình (tiện, phay, bào) thì có trường hợp cả ba lượng chuyển vị x, y, z đều có ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, lúc đó cần có sự phân tích cụ thể.1 Ảnh hưởng của lượng chuyển vị đến kích thước gia công (khi tiện) Đứng về mặt cơ học, tính toán sự biến dạng (lượng chuyển vị) của hệ thống công nghệ MGDC là một vấn đề khá phức tạp vì đây không phải là biến dạng của một chi tiết mà là biến dạng của cả một hệ thống gồm nhiều chi tiết lắp ghép với Học viên: Chu Minh Nhật 4 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy nhau. Vì vậy cần phải xác định ảnh hưởng tổng hợp của chúng đối với vị trí tương quan giữa chi tiết gia công và dao. Trong thực tế, để xác định ảnh hưởng này người ta phải dùng phương pháp thực nghiệm. Phân lực cắt tác dụng lên hệ thống công nghệ MGDC.
Phân lực cắt tác dụng lên hệ thống công nghệ MGDC thành ba thành phần P x, P y và Pz, sau đó đo biến dạng của hệ thống theo ba thương x, y, z. Gọi Py là thành phần lực pháp tuyến thẳng góc với mặt gia công và y là lượng chuyển vị tương đối giữa dao và chi tiết gia công theo hướng đó. Thông thường Py và y tỷ lệ với nhau. tỷ số P y /y được gọi là độ đứng cững của hệ thống công nghệ và ký hiệu là J.
Py J = MN/mm (kG/mm) (1.3) y Như vậy trị số biến dạng y có quan hệ với lực tác dụng theo hướng đó và với độ cứng vững của hệ thống công nghệ MGDC. Từ đó ta có thể định nghĩa về độ cứng vững như sau: "Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại sự biến dạng của nó khi có ngoại lực tác dụng vào". Lượng chuyển vị y của dao đối với chi tiết gia công là tổng hợp các chuyển vị của các chi tiết và bộ phận chịu lực trong cả hệ.4) i =1 i =1 Ji Trong đó: yi - lượng chuyển vị của chi tiết hay bộ phận thứ i theo hướng pháp tuyến. Ji - độ cứng vững của chi tiết hay bộ phận thứ i.
Py Py n Py Nhưng theo định nghĩa thì y = nên ta có: = (1.7) 1 n 1 hay = J i =1 J i Học viên: Chu Minh Nhật 5 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy 1 Nếu ta gọi = là độ mềm dẻo, ta sẽ có định nghĩa về độ mềm dẻo như sau: J "Độ mềm dẻo của hệ thống công nghệ là khả năng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ dưới tác dụng của ngoại lực". Lúc này ta sẽ có: n = i (1.8) i =1 Thông thường độ cứng vững của hệ thống công nghệ có thể viết dưới dạng: 1 1 1 1 = + + (1.9) J J m J d J ctgiacong Cần lưu ý rằng quan hệ giữa lượng chuyển vị y của hệ thống công nghệ và ngoại lực tác dụng thường không theo quy luật đường thẳng mà là đường cong. Vì vậy sẽ có khái niệm độ cứng vững thực ở một điểm và độ cứng vững trung bình trong một khoảng nhất định (ví dụ trên hình 3 - 4). Nếu điểm A đặc trưng trị số của ngoại lực tác dụng lên hệ thống công nghệ (AN) và gây ra biến dạng ON thì động cứng vững trung bình sẽ là AN J tb = = tg (1.2 Quan hệ giữa lượng chuyển vị y và ngoại lực Py.
Học viên: Chu Minh Nhật 6 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy Còn độ cứng vững thực ở điểm A1 sẽ được đặc trưng bởi tg1, trong đó 1, là góc kẹp giữa tiếp tuyến với đường cong tại A1 và trục hoành. Ngoài ra quan hệ giữa Py và y khi tăng và giảm ngoại lực Py cũng không trùng nhau vì ngoài biến dạng đàn hồi còn có biến dạng tiếp xúc và ma sát ở các bề mặt tiếp xúc. Để phân tích độ cứng vững của hệ thống công nghệ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công như thế nào người ta thường sử dụng trị số trung bình của chúng J tb.2 Độ cứng vững của hệ thống công nghệ Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại biến dạng của nó do có ngoại lực tác động vào. Độ cứng vững của hệ thống công nghệ được biểu diễn định lượng bằng mối liên hệ sau: Py J= (1.11) y Ở đây J - Độ cứng vững (KN/m hoặc KG/mm) Py - Lực tác dụng theo phương hướng kính của bề mặt gia công (KN hoặc KG) y - Lượng dịch chuyển của mũi dao theo phương tác dụng của lực (mm) Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cũng có thể được biểu diễn qua số gia: Py J= (1.12) y Ở đây: P y; y - Số gia của lực tác dụng và của lượng dịch chuyển (hay biến dạng) có cùng đơn vị đo như trong công thức (1.1) Đôi khi người ta còn dùng khái niệm độ mềm dẻo (khả năng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ dưới tác dụng của ngoại lực) để biểu diễn giá trị đảo ngược của độ cứng vững.
Độ mềm dẻo của hệ thống công nghệ được xác định bằng mối quan hệ y = (1.13) Py Ở đây: Học viên: Chu Minh Nhật 7 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy - độ mềm dẻo (m/KN. hoặc mm/KG) Py - lực tác dụng (KN hoặc KG) 1 Hoặc: = (1.14) J Ở đây: J - Độ cứng vững Trong ba thành phần lực cắt: Px - Lực hướng trực Py - Lực hướng kính Pz - Lực tiếp tuyến Thì Py (lực hướng kính) có ảnh hưởng lớn nhất đến lượng biến dạng đàn hồi. Vì vậy, để đơn giản khi tính toán ta chỉ cần giới hạn lực P y. Bây giờ ta nghiên cứu ảnh hưởng của lực Pz tới độ chính xác gia công.
Ảnh hưởng này không lớn lắm. Ta giả sử rằng, khi tiện chi tiết dạng trục và dao bị biến dạng theo phương tiếp tuyến một lượng z (hình 1) Hình 1. Ảnh hưởng biến dạng của dao theo phương tiếp tuyến đến bán kính của chi tiết gia công. Từ tam giác ABC có thể xác định lượng tăng bán kính y do biến dạng của dao z theo phương pháp tiếp tuyến.tg Học viên: Chu Minh Nhật 8 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn chế tạo máy Từ tam giác vuông OAC ta có: 2.16) D D Ở đây: D là đường kính của chi tiết gia công (mm) Do biến dạng đàn hồi của dao có giá trị không lớn, cho nên lượng thay đổi bán kính y của chi tiết gia công rất nhỏ.
Ảnh hưởng của thành phần lực Px (thành phần lực dọc trục chi tiết) tới biến dạng của hệ thống công nghệ theo phương hướng kính còn nhỏ hơn nhiều. Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ Để sáng tỏ hơn về ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ MGDC đến độ chính xác gia công, ta hãy khảo sát quá trình tiện một trục trơn được gá trên hai mũi tâm của máy tiện. Lúc này vị trí tương đối giữa chi tiết gia công và dao phụ thuộc vào vị trí tương đối của ụ trước, ụ sau và bàn dao.